Elettrostatica

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In Fisica, l’elettrostatica è una branca dell’elettromagnetismo che studia le cariche elettriche “a riposo” (in quiete) ossia quelle cariche stazionarie nel tempo, generatrici a loro volta di un campo elettrostatico. I fenomeni delle cariche in movimento, che producono correnti, sono invece studiate dall’elettrodinamica.

I fenomeni elettrostatici derivano dalle forze che le cariche elettriche esercitano l’una sull’altra. Tali forze sono descritte dalla legge di Coulomb. Anche se le forze indotte elettrostaticamente sembrano essere piuttosto deboli, alcune forze elettrostatiche come quella tra un elettrone e un protone, che insieme formano un atomo di idrogeno, sono circa 36 ordini di grandezza più forti della forza gravitazionale che agisce tra di loro.

In altre parole, l’ettrostatica studia i fenomeni elettromagnetici che si verificano quando non ci sono cariche in movimento, cioè dopo che è stato stabilito un equilibrio statico. I metodi matematici applicati all’elettrostatica consentono di calcolare le distribuzioni del campo elettrico e del potenziale elettrico a partire da una configurazione nota di cariche.

L’elettrostatica comporta l’accumulo di carica sulla superficie degli oggetti a causa del contatto con altre superfici. Sebbene lo scambio di carica avvenga ogni volta che due superfici qualsiasi entrano in contatto e poi si separano, gli effetti dello scambio di carica vengono solitamente notati solo quando almeno una delle superfici ha un’elevata resistenza al flusso elettrico. Questo perché le cariche trasferite restano intrappolate per un tempo sufficientemente lungo da poter essere osservate. Queste cariche quindi rimangono sull’oggetto fino a quando non si scaricano a terra o vengono rapidamente neutralizzate da una scarica: ad esempio, il fenomeno familiare di uno “shock” statico è causato dalla neutralizzazione della carica accumulata nel corpo dal contatto con superfici isolate. L’elettrizzazione di un corpo si può ottenere generalmente con tre metodi differenti:

  • per strofinio;
  • per contatto (elettrizzazione permanente);
  • per induzione (elettrizzazione temporanea).

La capacità di alcuni materiali come l’ambra (resina naturale), o il vetro, quando strofinati sulla lana, di attrarre piccoli pezzi di carta era nota sin dall’antichità. Platone, nel IV secolo a.C. considerava l’origine di tali effetti simile a quella dei fenomeni magnetici. Plutarco, nel I secolo d.C., osservò che la natura di questi effetti doveva essere dissimile da quella dei fenomeni magnetici poiché, mentre la magnetite sembrava attraesse solo il ferro, l’ambra strofinata attrae differenti oggetti purché leggeri.

Nel XVI secolo, W. Gilbert scoprì che altre sostanze se strofinate acquistano le stesse proprietà, mentre altre no. Introdusse l’aggettivo elettrico per indicare questa classe di fenomeni, dal nome greco dell’ambra, ηλε xτρον. Egli formulò una teoria che giustificava questo fenomeno, detto di elettrizzazione per strofinio, ipotizzando che, per effetto del riscaldamento dei corpi a causa dello strofinio, veniva emesso dal corpo un fluido che aveva la capacità di attrarre gli oggetti leggeri posti nelle vicinanze. Nella prima metà del XVIII secolo, lo scienziato francese C. Du Fay iniziò una metodica attività di ricerca intorno alla fenomenologia elettrica e verificò che:

  1. tutti i materiali, eccetto i metalli, potevano essere elettrizzati per strofinio deducendo che l’elettricità è una proprietà della materia;
  2. gli oggetti strofinati non sempre attraevano piccoli corpi ma, in certi casi li respingevano;
  3. dovevano esistere due tipi di elettricità che denominò elettricità resinosa ed elettricità vitrea e propose una teoria secondo la quale i corpi non elettrizzati hanno i due tipi di elettricità in uguale misura.

Fenomeni elettrostatici

Sono chiamati fenomeni elettrostatici tutti quei fenomeni elettrici che vengono prodotti nello spazio (e nei corpi che vi sono immersi) dalle cariche elettriche libere, positive o negative, che si trovano in equilibrio statico sui corpi comunque elettrizzati. Nel 1887, J. Thomson scopre l’elettrone ed identifica l’atomo come il componente fondamentale della materia. Fu quindi possibile fornire una spiegazione della fenomenologia dell’elettrizzazione per strofinio: lo stato di equilibrio elettrico degli atomi dei corpi strofinati è stato variato, poiché l’energia sviluppata nell’operazione di strofinio ha letteralmente “strappato” alcuni elettroni. In corrispondenza dello strofinio della bacchetta di vetro con un panno di lana, alcuni elettroni della bacchetta sono strappati dall’azione abrasiva e vengono trasferiti al panno. Pertanto la bacchetta di vetro acquisisce una carica netta diversa da zero: si elettrizza.

Esistono molti esempi di fenomeni elettrostatici, come ad esempio quando si strofina una bacchetta di vetro con un panno di lana, alcuni elettroni liberi di muoversi, lasciano la bacchetta e si trasferiscono sul panno di lana. La bacchetta di vetro perde dunque elettroni e, quindi, ha un numero di protoni maggiore di quello degli elettroni: così si dice che si carica positivamente; il panno, invece, acquista elettroni e quindi ha un numero di elettroni maggiori di quello dei protoni: così si dice che si carica negativamente. Se invece di una bacchetta di vetro si utilizza una bacchetta di ambra, gli elettroni passano dal panno di lana alla bacchetta. In questo caso la bacchetta di ambra, che acquista elettroni, si carica negativamente e il panno, che perde elettroni, si carica positivamente. Dunque quando si strofinano due corpi, uno si elettrizza positivamente e uno negativamente.

Furono detti isolanti, i corpi materiali che si caricano per strofinio, che non trasportano facilmente le cariche (ad esempio la gomma nel rivestimento dei fili elettrici). Furono detti conduttori, i corpi materiali in cui le cariche elettriche si muovono liberamente. Furono detti semiconduttori, i corpi materiali che hanno comportamento intermedio tra conduttori e isolanti (come ad esempio il silicio e germanio impiegati nei circuiti integrati dei calcolatori elettronici). Furono detti superconduttori, i corpi materiali perfettamente conduttori, che permettono alle cariche di muoversi al loro interno senza ostacolo alcuno (assenza di resistenza elettrica).

Se si ricorda che, in base alla legge di Coulomb, le cariche elettriche agiscono mutuamente le une sulle altre con delle attrazioni e repulsioni reciproche le quali si esercitano in tutte le direzioni che si irradiano da ciascuna di esse, si intuisce che le azioni elettriche non si manifestano solo in seno ai corpi nei quali sono contenute, ma si estendono ed investono l’intero spazio circostante: l’esperienza prova infatti che tutte le azioni elettriche si esercitano a distanza anche attraverso lo spazio vuoto senza l’intervento di nessuna continuità materiale che debba trasmetterle.

Una carica elettrica puntiforme, positiva o negativa, agisce radialmente in tutte le direzioni su tutte le altre cariche di segno opposto. Si esprime questo fatto dicendo che ogni carica positiva o negativa, si trova sempre soggetta a una forza che è la risultante delle attrazioni e delle repulsioni che essa risente dalle singole cariche elementari circostanti. Questo fatto può essere espresso dicendo che ogni carica elettrica subisce l’azione del campo elettrico risultante dall’azione dei campi propri di tutte le cariche elettriche rimanenti.

Un procedimento alternativo all’elettrizzazione per strofinio, prende il nome di elettrizzazione per induzione. Avvicinando un corpo carico, ad una sfera conduttrice isolata neutra, la regione della sfera più prossima al corpo carico si carica di segno opposto mentre quella più lontana si carica dello stesso segno (di fatto gli elettroni della sfera neutra si spostano lasciando scoperta della carica positiva). Se la sfera, anziché essere isolata, è connessa a terra, alcuni elettroni fluiscono verso terra (la sfera la terra costituiscono un unico conduttore, gli elettroni si allontanano). Interrompendo la connessione la sfera resta carica positivamente. Allontanando successivamente il corpo carico, la carica della sfera si distribuisce uniformemente per effetto della mutua repulsione delle cariche uguali. Anche in questo caso, continua a valere il principio di conservazione della carica.

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